CN114109528A - 一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航空发动机测量技术领域，为一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，通过设置支撑机匣、在中心锥上开设连接孔、在支撑机匣上设置支撑筒，以形成外部动力传输的通道，设置动力装置和垂直传动装置将动力传递至中心锥内，在中心锥内设置静子机构、转子结构，将静子机构与支撑筒相连，转子机构与静子机构转动配合从而得到静子机构的支撑，在中心锥与发动机涡轮之间开设间隙，将测试装置从间隙处伸出至中心锥的外侧，通过动力装置带动测试装置沿着发动机中心线旋转，从而能够对流场的各个位置温度进行检测，形成完善的温度场，并且占据流道的横截面积小，不会发生流场的阻塞和工况的改变，保证了温度测量的效率与质量。

Description

一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构

技术领域

本申请属于航空发动机温度测量领域，特别涉及一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构。

背景技术

燃气从燃烧室排出，通过高速旋转的涡轮后，并不能使极不均匀的温度场完全掺混。因此在发动机涡轮出口截面上的温度场是很不均匀的。因此为了更好的了解该温度场的分布规律，更加准确地测取其平均值，必须布置足够多的周向和径向测点，通过测量其温度场分布的方式才能实现。

对于发动机涡轮出口截面上的温度场测量，通常采用如图1中的单点测量、图2中的多点组合式测量、图3中的多点分布式测量三种方法。某系列发动机排气温度值采用多点组合式测量，若温度场径向不均匀度很大，由于径向测量位置固定，同时一支一点的测量方式不能充分反映温度场的真实情况。为了能够更充分了解涡轮后温度场的分布规律，在研制过程中，开展了多次多点分布式测量，随着发动机状态提升，多点组合式测量与多次多点分布式测量对温度场测量的差异有所下降，测点数目在60点左右时，航空发动机不加力时的最高转速状态下多点组合式测量与多次多点分布式测量的温度场差异在20℃以内。

按照相关文献介绍，上述点数（60点）远远不足以满足充分评估温度场数目的要求，按照传统的测量耙方式，由于传感器支数受到结构形式的限制，但数量较多的测量传感器插入流场后会造成通道的堵塞、流场歪曲和工况的改变，从而产生测量误差。为了减少这种由于堵塞引起的测量误差，则又应该尽可能少地在截面上布置测点。为了平衡这种矛盾，可通过布置适当数目的特征点来，使测得的特征点所代表的温度分布尽可能接近真实的温度分布。根据以上理论，旋转测温装置能够满足堵塞比小，测量数目多等要求。

现有的单点测量、多点组合式测量、多点分布式测量存在以下缺点：

1.单点测量：采用单点取样或双点取样式排气温度热电偶，该方法只适用于截面温度场均匀的发动机；

2.多点组合式测量：采用多个单点取样式排气温度热电偶，均匀分布在发动机排气段，该方法可以降低温度场周向不均匀度造成的影响，但无法完全避免，且无法对径向不均匀度进行监控；

3.多点分布式测量：采用多个多点取样式排气温度热电偶，均匀分布安装在排气段，该方法可以降低温度场周向、径向不均匀度造成的影响，但无法完全避免，且当前测点数目不能满足需求，如测点数目继续增加则会导致流场的堵塞和工况的改变。

因此，如何更有效地对小涵道比涡扇发动机的排气温度场进行测量是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，以解决现有技术中难以同时解决小涵道比涡扇发动机排气温度场的周向不均匀和堵塞的问题。

本申请的技术方案是：一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，设于发动机上，所述发动机上设有中心锥，包括动力装置、垂直传动装置、水平传动装置、测试装置；所述发动机上设有支撑机匣，所述动力装置设于发动机机匣的外侧，所述垂直传动装置与动力装置相连，所述支撑机匣上设有伸入至中心锥内的支撑筒，所述中心锥与支撑筒相连并且相互连通，所述垂直传动装置穿过支撑筒伸入至中心锥内部；所述水平传动装置设于中心锥内，所述水平传动装置包括静子机构和与静子机构转动配合的转子机构，所述静子机构与支撑筒相连，所述转子机构与发动机中心线同轴设置；所述测试装置与转子机构相连并且测试装置设于中心锥和发动机涡轮之间，所述中心锥与发动机涡轮之间具有间隙，所述测试装置从间隙处伸出到中心锥外侧，所述测试装置上引出测试引线，所述测试引线穿过支撑筒内部并从支撑筒的外部开口处传出。

优选地，所述水平传动装置包括转轴和设于转轴上的转盘，所述测试装置上设有支撑力臂，所述支撑力臂与转盘之间通过螺栓和止口连接。

优选地，所述转轴靠近发动机涡轮一端的端部侧壁上设有螺纹，所述螺纹上螺纹连接有第一大螺母，所述转轴上设有挡环，所述挡环和第一大螺母分别设于转盘的两侧并且挡环和第一大螺母均与转盘紧密贴合；所述转轴在第一大螺母和挡环之间开设有第一键槽，第一键槽内设有与转盘相配合的第一键体。

优选地，所述发动机涡轮靠近间隙的一端设有第一台阶面、所述中心锥靠近间隙的一端设有第二台阶面，所述第一台阶面的径向高度高于第二台阶面的径向高度。

优选地，所述静子机构的外侧与支撑筒通过螺栓和止口配合，所述静子机构的内侧与转子机构之间设置圆柱滚子轴承。

优选地，所述中心锥包括位于靠近发动机涡轮一侧的锥体前段、位于远离发动机涡轮一侧的锥体后段、设于锥体前段和锥体后段之间的锥体中段，所述锥体前段、锥体后段均与支撑筒相连，所述锥体中段与支撑筒一体设置。

优选地，所述发动机上还设有与发动机涡轮外侧的机匣相连的前段安装机匣，所述前段安装机匣与支撑机匣通过法兰连接。

优选地，所述动力装置包括电机及其相连的支架，所述电机上设有第一直齿轮，所述垂直传动装置上设有与第一直齿轮配合的第二直齿轮。

优选地，所述垂直传动装置靠近转子机构的一端设有第一锥齿轮，所述转轴上设有与转轴同轴设置的第二锥齿轮，所述第一锥齿轮和第二锥齿轮相互啮合。

优选地，所述转轴对应第二锥齿轮内侧的位置处设有第二键槽，所述第二键槽上设有与第二锥齿轮相配合的第二键体，所述转轴对应第二锥齿轮两侧的位置处分别设有垫片和第二大螺母，所述第二大螺母与转轴螺纹配合。

本申请的一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，通过设置支撑机匣、在中心锥上开设连接孔、在支撑机匣上设置支撑筒，以形成外部动力传输的通道，设置动力装置和垂直传动装置将动力传递至中心锥内，在中心锥内设置水平传动装置，将水平传动装置分成静子机构和与静子机构转动配合的转子结构，将静子机构与支撑筒相连，转子机构与静子机构转动配合从而得到静子机构的支撑，在转子机构上连接测试装置，在中心锥与发动机涡轮之间开设间隙，将测试装置从间隙处伸出至中心锥的外侧，通过动力装置带动测试装置沿着发动机中心线旋转，从而能够对流场的各个位置温度进行检测，形成完善的温度场，并且占据流道的横截面积小，不会发生流场的阻塞和工况的改变，保证了温度测量的效率与质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为背景技术中单点测量方案结构示意图；

图2为背景技术中多点组合式测量方案结构示意图；

图3为背景技术中多点分布式测量方法结构示意图；

图4为本申请整体结构示意图；

图5为图4中A部放大图；

图6为图4中B部放大图；

图7为图4中C部放大图。

1、测试装置；2、静子机构；3、锥体前段；4、锥体后段；5、测试引线；6、支撑机匣；7、垂直传动装置；8、电机；9、前段安装机匣；10、转子机构；11、转轴；12、转盘；13、支撑力臂；14、第一大螺母；15、挡环；16、第一键体；17、第一台阶面；18、第二台阶面；19、第一直齿轮；20、第二直齿轮；21、第一锥齿轮；22、第二锥齿轮；23、第二大螺母；24、垫片；25、第二键体；26、圆柱滚子轴承；27、支撑筒。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，设于发动机上，发动机上设有与发动机中心线同轴设置的中心锥，中心锥的外侧用于高温尾气的排出，在中心锥的周向外侧形成流场。

通过设置动力装置，可以带动一个或少量的几个测点处的测量装置沿着发动机中心线的方向进行旋转，从而能够对流场各个位置处的温度进行有效测量，形成温度场，不需要考虑温度场周向的不均匀度，也不会造成流场的堵塞和工况的改变。

如图4所示，包括动力装置、垂直传动装置7、水平传动装置、测试装置1，测试装置1上设有对温度进行检测的传感器及相关部件。发动机上设有支撑机匣6，动力装置设于发动机机匣的外侧，垂直传动装置7与动力装置相连，支撑机匣6上设有伸入至中心锥内的支撑筒27，中心锥与与支撑筒27相连并且相互连通，垂直传动装置7穿过支撑筒27伸入至中心锥内部。

水平传动装置设于中心锥内，水平传动装置包括静子机构2和与静子机构2转动配合的转子机构10，静子机构2与支撑筒27相连，转子机构10与发动机中心线同轴设置。

测试装置1与转子机构10相连并且测试装置1设于中心锥和发动机涡轮之间，中心锥与发动机涡轮之间具有间隙，测试装置1从间隙处伸出到中心锥外侧，测试装置1上引出测试引线5，测试引线5穿过支撑筒27内部并从支撑筒27的外部开口处传出。

通过设置动力装置、垂直传动装置7和水平传动装置，实现了从三种固定式温度场测量方案到旋转式温度场测量方案的转变。

进行温度场的测量时，动力装置通过垂直传动装置7将动力从发动机的外部传递至中心锥内，以带动转子机构10进行转动，转子机构10工作带动测试装置1沿着发动机的中心线缓慢运动，位于中心锥外侧的测试装置1每到达温度场周向的一个位置，均能够对该位置处的温度场温度进行测量。当测试装置1为一组时，测试装置1旋转一周，即能够对流场的所有位置进行测量；当测试装置1的数量为2组或者以上时，其旋转的角度为180°或者更少。通过测试装置1不断的旋转，能够准确的获得流场内每个位置的多个数据，可以完全避免流场周向温度不均匀造成的影响，形成完善的温度场数据。解决了现有的三种固定式温度场测量方案周向、径向固定的方案中，存在因周向、径向不均匀度造成的测量失真，无法真实的表示温度场问题；其次通过旋转来实现较少的测点获得温度场，无需较多测点即可实现测试目的，不影响使用安全和真实温度场环境，提高了测试有效性。

测试装置1的数量可以为1个或少量的几个，测试装置1和支撑筒27占据的温度场的横截面的比例非常小，不会造成流场的堵塞和工况的改变，发动机高温尾气能够正常排出。同时可作为单独组件直接在整机上串装，安装方便，可实现在无额外改装的前提下完成多样本发动机间的温度场数据测量及对比分析。

如图5、图6所示，优选地，水平传动装置包括转轴11和设于转轴11上的圆形的转盘12，测试装置1上设有支撑力臂13，支撑力臂13整体呈h形，支撑力臂13与转盘12之间通过螺栓和止口连接，转轴11上的转盘12能够对支撑力臂13和测试装置1进行稳定的支撑，保证测试装置1在旋转的过程中工作稳定，不会晃动。

优选地，转轴11靠近发动机涡轮一端的端部侧壁上设有螺纹，螺纹上螺纹连接有第一大螺母14，转轴11上设有挡环15，挡环15和第一大螺母14分别设于转盘12的两侧并且挡环15和第一大螺母14均与转盘12紧密贴合；转轴11在第一大螺母14和挡环15之间开设有第一键槽，第一键槽内设有与转盘12相配合的第一键体16。通过第一大螺母14和挡环15对转盘12进行定位和卡紧，保证转盘12在转动过程中不会发生晃动，通过设置第一键体16对转盘12进行定位和限位，保证转盘12安装的精度。

优选地，发动机涡轮靠近间隙的一端设有第一台阶面17、中心锥靠近间隙的一端设有第二台阶面18，第一台阶面17的径向高度高于第二台阶面18的径向高度，该径向指的是航空发动机中心线的径向。由于间隙处与高温尾气相接，高温尾气容易进入到中心锥内部导致中心锥内的各部件在高温下工作，将第一台阶面17的径向高度设置为高于第二台阶面18的径向高度，这样高温尾气在沿着中心锥的外表面流出时，由于第一台阶面17的高度较高，这样流入到间隙内的高温尾气的量会明显减小，中心锥内各部件能够正常工作。

优选地，静子机构2的外侧与支撑筒27通过螺栓和止口配合，静子机构2和支撑筒27均为静子件，固定稳定；静子机构2的内侧共包含有两部分静子件，一部分静子件延伸至转轴11靠近发动机涡轮的一端、另一部分静子件延伸至转轴11远离发动机涡轮的一端。两部分静子件与转轴11之间均设置圆柱滚子轴承26。圆柱滚子轴承26能够在高温下工作，保证静子机构2与转子机构10稳定的转动配合。

优选地，中心锥包括位于靠近发动机涡轮一侧的锥体前段3、位于远离发动机涡轮一侧的锥体后段4、设于锥体前段3和锥体后段4之间的锥体中段，锥体前段3、锥体后段4均与支撑筒27相连，锥体中段与支撑筒27一体设置。

由于中心锥与发动机涡轮间具有间隙，因此中心锥无法与发动机涡轮相关部件相连，通过将中心锥分成三段，锥体前段3、锥体后段4均与支撑筒27相连，锥体中段与支撑筒27一体设置，这样中心锥通过支撑机匣6能够得到稳定的固定。

优选地，发动机上还设有与发动机涡轮外侧的机匣相连的前段安装机匣9，前段安装机匣9与支撑机匣6通过法兰连接。通过设置前段安装机匣9与支撑机匣6相连，保证支撑机匣6在发动机上能够得到稳定固定。

如图4、图7所示，优选地，动力装置包括电机8及其相连的支架，支架在图中未显示，电机8上设有第一直齿轮19，垂直传动装置7上设有与第一直齿轮19配合的第二直齿轮20，实现稳定的传动。

优选地，垂直传动装置7靠近转子机构10的一端设有第一锥齿轮21，转轴11上设有与转轴11同轴设置的第二锥齿轮22，第一锥齿轮21和第二锥齿轮22相互啮合，通过第一锥齿轮21和第二锥齿轮22实现从发动机中心线的径向至轴向的传动，传动稳定。

优选地，转轴11对应第二锥齿轮22内侧的位置处设有第二键槽，第二键槽上设有与第二锥齿轮22相配合的第二键体25，转轴11对应第二锥齿轮22两侧的位置处分别设有垫片24和第二大螺母23，第二大螺母23与转轴11螺纹配合，通过第二大螺母23和垫片24对第二锥齿轮22进行限位和夹紧，通过第二键体25对第二锥齿轮22进行安装与定位，保证第二锥齿轮22固定稳定、安装准确。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，设于发动机上，所述发动机上设有中心锥，其特征在于：包括动力装置、垂直传动装置(7)、水平传动装置、测试装置(1)；所述发动机上设有支撑机匣(6)，所述动力装置设于发动机机匣的外侧，所述垂直传动装置(7)与动力装置相连，所述支撑机匣(6)上设有伸入至中心锥内的支撑筒(27)，所述中心锥与支撑筒(27)相连并且相互连通，所述垂直传动装置(7)穿过支撑筒(27)伸入至中心锥内部；

所述水平传动装置设于中心锥内，所述水平传动装置包括静子机构(2)和与静子机构(2)转动配合的转子机构(10)，所述静子机构(2)与支撑筒(27)相连，所述转子机构(10)与发动机中心线同轴设置；

所述测试装置(1)与转子机构(10)相连并且测试装置(1)设于中心锥和发动机涡轮之间，所述中心锥与发动机涡轮之间具有间隙，所述测试装置(1)从间隙处伸出到中心锥外侧，所述测试装置(1)上引出测试引线(5)，所述测试引线(5)穿过支撑筒(27)内部并从支撑筒(27)的外部开口处传出。

2.如权利要求1所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述水平传动装置包括转轴(11)和设于转轴(11)上的转盘(12)，所述测试装置(1)上设有支撑力臂(13)，所述支撑力臂(13)与转盘(12)之间通过螺栓和止口连接。

3.如权利要求2所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述转轴(11)靠近发动机涡轮一端的端部侧壁上设有螺纹，所述螺纹上螺纹连接有第一大螺母(14)，所述转轴(11)上设有挡环(15)，所述挡环(15)和第一大螺母(14)分别设于转盘(12)的两侧并且挡环(15)和第一大螺母(14)均与转盘(12)紧密贴合；

所述转轴(11)在第一大螺母(14)和挡环(15)之间开设有第一键槽，第一键槽内设有与转盘(12)相配合的第一键体(16)。

4.如权利要求1所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述发动机涡轮靠近间隙的一端设有第一台阶面(17)、所述中心锥靠近间隙的一端设有第二台阶面(18)，所述第一台阶面(17)的径向高度高于第二台阶面(18)的径向高度。

5.如权利要求1所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述静子机构(2)的外侧与支撑筒(27)通过螺栓和止口配合，所述静子机构(2)的内侧与转子机构(10)之间设置圆柱滚子轴承(26)。

6.如权利要求1所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述中心锥包括位于靠近发动机涡轮一侧的锥体前段(3)、位于远离发动机涡轮一侧的锥体后段(4)、设于锥体前段(3)和锥体后段(4)之间的锥体中段，所述锥体前段(3)、锥体后段(4)均与支撑筒(27)相连，所述锥体中段与支撑筒(27)一体设置。

7.如权利要求6所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述发动机上还设有与发动机涡轮外侧的机匣相连的前段安装机匣(9)，所述前段安装机匣(9)与支撑机匣(6)通过法兰连接。

8.如权利要求1所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述动力装置包括电机(8)及其相连的支架，所述电机(8)上设有第一直齿轮(19)，所述垂直传动装置(7)上设有与第一直齿轮(19)配合的第二直齿轮(20)。

9.如权利要求2所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述垂直传动装置(7)靠近转子机构(10)的一端设有第一锥齿轮(21)，所述转轴(11)上设有与转轴(11)同轴设置的第二锥齿轮(22)，所述第一锥齿轮(21)和第二锥齿轮(22)相互啮合。

10.如权利要求9所述的小涵道比涡扇发动机排气温度场测量的执行机构，其特征在于：所述转轴(11)对应第二锥齿轮(22)内侧的位置处设有第二键槽，所述第二键槽上设有与第二锥齿轮(22)相配合的第二键体(25)，所述转轴(11)对应第二锥齿轮(22)两侧的位置处分别设有垫片(24)和第二大螺母(23)，所述第二大螺母(23)与转轴(11)螺纹配合。

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